两步优化法增强耐冷芽孢杆菌MTCC 2908胞外多糖的产量、结构表征及治疗潜力评估

本研究针对耐冷微生物源功能性胞外多糖(EPS)产量低、结构特性不明的问题，通过Plackett-Burman设计和中心复合设计两步优化策略，将Sporosarcina psychrophila MTCC-2908的EPS产量提升17倍至21.62 g/L。研究人员采用FTIR、TGA、AFM等技术系统表征了EPS结构，发现其具有中等抗氧化活性和还原能力，为开发新型生物材料提供了候选物质。

　　

在极地环境、食品工业和医药领域，微生物胞外多糖(EPS)因其独特的流变特性和生物活性备受关注。然而传统EPS生产菌株存在产量低、功能单一等问题，特别是对耐冷微生物这一"天然冷库"的资源开发严重不足。Sporosarcina psychrophila MTCC-2908作为从寒冷环境分离的革兰氏阳性菌，其EPS可能具有低温溶解性和特殊生物活性，但相关研究几乎空白。印度Manipal高等教育学院生物技术系的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究，通过创新性的两步优化策略破解了这一难题。

研究人员首先采用Plackett-Burman设计从10个参数中筛选出葡萄糖、NH₄Cl等5个关键因素，再通过中心复合设计将产量从1.22 g/L提升至21.62 g/L。技术方法包括：1) 48小时浸没发酵培养；2) 乙醇沉淀法提取EPS；3) 综合运用FTIR、TGA、AFM、SEM、XRD等技术进行结构表征；4) 钼酸铵法和FRAP法测定抗氧化活性。

【Initial screening of fermentation media using Plackett-Burman design】

通过12组正交实验发现参数影响差异达7.33 g/L，建立的一阶模型R²=0.83，确定葡萄糖、NH₄Cl、K₂HPO₄等5个关键参数。

【Central composite design(CCD)】

32组实验构建二阶模型(R²=0.96)，发现MnSO₄·H₂O贡献率达66.98%，优化后预测产量达24.29 g/L，验证实验结果为21.62 g/L。

【Characterization of the EPS】

FTIR显示882 cm^-1处呋喃糖环特征峰；TGA表明EPS在230°C发生主链降解；AFM显示12.2 nm表面粗糙度；SEM观察到多孔网状结构；XRD显示50.41%结晶度。

【Analysis of total antioxidant capacity】

在300-1500μg浓度范围呈现剂量依赖性抗氧化活性，虽低于抗坏血酸标准，但显示出医药应用潜力。

该研究首次系统报道了耐冷芽孢杆菌EPS的生产优化与功能特性，17.72倍的产量提升显著降低了生产成本。半结晶结构和良好热稳定性(>200°C)使其在食品包装、药物递送等领域具有应用前景。特别是EPS中检测到的硫(5.42%)和磷(1.44%)元素，暗示其可能含有硫酸化多糖或磷酸化组分，这些特殊结构往往与增强的生物活性相关。研究为开发具有低温适应性的新型生物材料提供了重要候选物质，填补了耐冷微生物EPS研究的空白。未来可通过NMR进一步解析其精确结构，并探索在伤口愈合、低温保存等领域的应用价值。